五指山形变台定点形变观测资料内在精度分析_郭昱琴.pdf

郭昱琴，曾涛，杨世杰，等.五指山形变台定点形变观测资料内在精度分析 J.地震科学进展,2023,53(6):278-284.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-093GuoYQ,ZengT,YangSJ,etal.Internalaccuracyanalysisoffixed-pointdeformationobservationdataofWuzhishandeformationstationJ.ProgressinEarthquakeSciences,2023,53(6):278-284.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-093五指山形变台定点形变观测资料内在精度分析*郭昱琴1)曾涛2)杨世杰2)李冬雅1)1)海南省地震局，海南海口5702032)海南省地震局琼中中心站，海南琼中572900摘要本文对 2016 年 1 月2021 年 12 月连续 6 年五指山形变台定点形变观测资料内在精度进行统计分析，台站水管倾斜仪和铟瓦棒伸缩仪内在精度质量较好；宽频带倾斜仪两个分量内在精度年均达到优秀指标的概率仅 50%，且自 2020 年 1 月出现观测数据内在精度质量持续下降，导致观测资料质量不高。提高数据内在高质量的重要条件是确保观测数据的连续率，因此，提升台站人员业务水平和保证必要的备机备件是当务之急。关键词倾斜仪；应变仪；潮汐因子；内在精度中图分类号：P315.72+5文献标识码：A文章编号:2096-7780(2023)06-0278-07doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-093Internal accuracy analysis of fixed-point deformation observation dataof Wuzhishan deformation stationGuo Yuqin1),Zeng Tao2),Yang Shijie2),Li Dongya1)1)HainanEarthquakeAgency,HainanHaikou570203,China2)QiongzhongCentralStationofHainanEarthquakeAgency,HainanQiongzhong572900,ChinaAbstract This paper presents a statistical analysis of the internal accuracy of the fixed-point deformationobservationdataofWuzhishandeformationstationfromJanuary2016toDecember2021.Theinternalaccuracyofthestationswaterpipetiltmeterandindiumtilerodextensometerisgood.Theprobabilitythattheinternalaccuracyofthetwocomponentsofthebroadbandtiltmeterreachestheexcellentindexisonly50%.SinceJanuary2020，theinternalaccuracyqualityoftheobservationdatahasbeendecreasing，resultinginthelowqualityoftheobservationdata.Theimportantconditionforimprovingtheinternalaccuracyqualityofdataistoensurethecontinuousrateofobservationdata.Therefore，itisurgenttoimprovetheoperationallevelofstationpersonnelandtoensurethenecessaryspareparts.Keywordstiltimeter;straingauge;tidefactor;internalaccuracy引言有大量震例证明，孕震过程中形变会出现阶段性前兆特征，即形变速率变化、形变方向变化和岩石力学性质变化1。其中，前两项特征（形变速率和形变方向变化）可以从地倾斜数据直接获得，而第三项特征（岩石力学性质）则是间接通过固体潮振幅因子*收稿日期：2022-05-23；采用日期：2022-11-30。基金项目：海南省地震局科研课题（HDKJ202203）资助。通信作者：郭昱琴（1988-），女，工程师，主要从事地震前兆监测工作。E-mail：。第53卷第6期地震科学进展Vol.53No.62023年6月ProgressinEarthquakeSciencesJun.,2023及波形包络形态描述获得2-3。一般情况下，台站日常监测资料是连续动态观测时间序列数据，序列数据中有多种有用信息，也有噪声影响。为更好地使用资料和保障观测系统正常运行，建立客观、准确评估观测资料序列数据内在精度的方法尤为重要。杨晓东等4-7对韩城台、宁波台、格尔木台等的倾斜观测和数字化垂直摆资料进行了对比研究；曹白伦等8对云县台水平摆和垂直摆资料进行了对比研究。然而，这些研究成果较多的是从单台套地形变仪器资料得出的，本文针对五指山地震台地倾斜（DSQ 水管倾斜仪和 VP 宽频带倾斜仪）及地应变（SSY 铟瓦棒伸缩仪）3 套形变仪器资料内在精度进行比较，评估台站地形变资料的真实性和分析影响数据质量的因素，为研究该区域地壳应力应变状态的长期变化及规律提供支持和依据。1台站概况五指山形变台位于五指山市冲山镇阿里山度假村旁太平山山麓半山腰处，地理位置（18.79N，109.53E），该区域二叠系花岗岩和三叠系花岗岩出露显著9。台站洞体基岩坚硬完整，致密均匀，周边观测环境较为稳定，四周无振动干扰源。“十五”期间，经技术改造，山洞架设了 DSQ 水管倾斜仪、VP 宽频带倾斜仪和 SSY 铟瓦棒伸缩仪。其中，DSQ 水管倾斜仪和 SSY 铟瓦棒伸缩仪安装在主洞室内，两套仪器相同分量观测部件平行布设在同一槽体，监测该区域的大地倾斜和应变变化，VP 宽频带倾斜仪安装在主洞南侧耳洞室（图 1）。3 套仪器均能记录到完整的固体潮，观测数据连续性好，同震记录效应明显。洞体示意图铁门铁门比例尺 1 500DSQ 和 SSY 墩体DSQ 和 SSY墩体防盗门防盗门防盗门船舱门船舱门北81 m102 m11.9 m16.2 m9.1 m3.7 m8.4 m4.4 m13.0 m4.0 m1.4 m2.3 m10.0 m6.0 m1.3 m38 m1.4 m2.0 m1.2 m12.3 m5.0 m3.0 m90 m山体墩体图1五指山台形变仪器平面布设示意图Fig.1DiagramofinstrumentslayoutatWuzhishanstation2资料分析固体潮观测值相对其理论的偏离通常采用基于最小二乘法的维尼迪柯夫（Venedikov）调和分析方法，求解各个波群的观测振幅与理论振幅之比，即潮汐因子。台站倾斜资料调和分析精度也采用 Venedikov调和分析方法，对月尺度倾斜资料进行调和分析，以 M2波中误差 m作为评定倾斜观测资料质量的一项指标，规范要求 类倾斜台站观测 M2波中误差m0.02。应变观测资料调和分析精度同样采用Venedikov 调和分析方法，对月尺度的应变观测资料进行调和分析，以 M2波振幅因子的相对中误差/指标作为评定应变资料质量的一项指标，规范要求 类应变台站观测资料/0.0510。定点形变观测资料内在精度是指 M2波潮汐因子均方差，该指标是用来评定固体潮汐（地倾斜、地应变）观测资料内在质量精度的一项定量化指标。本文采用了 Venedikov 调和分析法，分析台站观测资料的内在精度（地倾斜仪器精度由 M2波的中误差m表示，地应变仪器精度由 M2波振幅因子相对中第6期郭昱琴等：五指山形变台定点形变观测资料内在精度分析279误差/表示，文中统称为“内在精度”），也是当前中国地震局地壳形变学科组通常公布的月评内在精度结果。通过统计 2016 年 1 月2021 年 12 月五指山台定点形变观测内在精度分析，我们发现五指山台倾斜应变各仪器各分量内在精度变化规律各不相同（图 2）。对同一套观测仪器而言，两个观测分量内在精度存在同步上升下降，如图 2a 所示，水管倾斜仪 2019 年 6 月、2020 年 3 月、8 月的渐变现象；或两个观测分量内在精度变化不一致或单观测分量内在精度下降，如图 2b 中洞体应变伸缩仪所描述的。0.100.080.060.040.0202016201720182019202020210.060.050.040.030.020.010内在精度（NS）内在精度（EW）年份（a）0.200.160.120.080.0402016201720182019202020210.080.060.040.020内在精度（NS）内在精度（EW）SSY-EWSSY-NS年份（b）0.120.080.0402016201720182019202020210.040.030.020.010内在精度（NS）内在精度（EW）VP-EWVP-NS年份（c）DSQ-NSDSQ-EW图2五指山台水管倾斜仪（a）、洞体应变伸缩仪(b)、宽频带倾斜仪（c）内在精度Fig.2Internalaccuracyofwaterpipetiltmeter（a），indiumtilerodextensometer（b），broadbandtiltmeter（c）atWuzhishanstation根据计算仪器观测数据的内在精度，我们再对五指山台 3 套仪器不同分量计算内在精度均值，然后，定义为地倾斜或地应变仪器 NS 分量内在精度与 EW 分量内在精度之比，值可较直观地显示出同一仪器两个分量内在精度的差异11，值越趋近于1，仪器两个分量的内在精度越相近，表明数据内在质量越好，反之亦同。统计数据见表 1。表12016 年 1 月2021 年 12 月观测资料内在精度平均值Table1MeaninternalaccuracyofobservationsfromJanuary2016toDecember2021台站仪器名称测项分量内在精度五指山台DSQ水管倾斜仪NS0.01231.2424EW0.0099SSY铟瓦棒伸缩仪NS0.02821.0763EW0.0262VP宽频带倾斜仪NS0.02423.5072EW0.0069由表 1 计算数据可知：（1）水管倾斜仪、铟瓦棒伸缩仪两个分量内在精度较好，值趋向于 1，接近优秀指标；而宽频带倾斜仪两个分量内在精度年均达到优秀满分概率仅 50%（图 2c），出现自 2020 年 1 月地倾斜仪数据内在精度下降趋势，导致数据质量不高。（2）同台站地倾斜类仪器 NS 分量内在精度均高于 EW 分量，水管倾斜仪和宽频带倾斜 EW 分量内在精度优于 NS 分量（图 2）。（3）宽频带倾斜仪 NS 分量和 EW 分量内在精度平均值差距较大，宽频带倾斜仪的值为 3.5072，铟瓦棒伸缩仪和水管倾斜仪 NS 分量和 EW 分量内在精度接近，值分别为 1.2424、1.0763（表 1）。3影响内在精度因素探讨3.1 仪器稳定性仪器故障是台站数据完整率和连续率的重要影响因素。缺数或干扰太多进而影响数据质量。五指山台周边观测环境较为稳定，四周无振动干扰源，且观测硐室温度年变化为 0.1。宽频带倾斜仪自安装运行以来，因仪器 NS 分量自身稳定性能差致使后续故障频发，尤其是漂移现象造成调零频繁和超量程。如图 3 所示，2021 年 112 月宽频带倾斜仪数据曲线NS 分量持续向南倾斜，EW 分量持续向东倾斜。NS分量数据统计计算内在精度满足 0.02 评价指标的月份仅 5 个月，其中 2、3、5、6、8、9、10 月内在精度均未满足评价指标 0.02（图 4a），EW 分量要好些，满足0.02 评价指标的月份达 11 个月，仅 3 月内在精度未满足评价指标 0.02（图 4b）。3.2 人为因素影响数据的人为因素主要有检修仪器过程、人280地震科学进展2023年行走进洞干扰、人为操作调零及标定等，表现为数据突跳、数据出错误或阶跃变化。如 2020 年 5 月水管倾斜仪主机供电模块故障，剔除产出的错误数据，出现缺数情况（图 5），导致无法统计计算内在精度（图 6）。另外还存在其他的人为因素，如台站人员运维水平有限，对台站仪器性能了解、故障排查检修能力不足，只能等待厂家维修，导致故障断记时间较长，直接影响数据内在精度。3.3 同震影响地震对台站 3 套仪器观测数据的影响表现上阶跃、下阶跃或阶跃式振荡重叠同震响应现象，在统计 2016 年 1 月2021 年 12 月连续 6 年记录数据中发现，伸缩仪对应 7 级以上地震才出现同震效应。而水管倾斜仪和 VP 垂直摆对应不同震中距的地震响应存在较大差异：（1）震中距较小时，水管仪基本无同震响应，VP垂直摆同震波记录清晰；（2）震中距6000km 时，两种观测仪器记录应震能力相当12。这种响应主要以高频振荡衰减的形式叠加在所记录的固体潮曲线上，震级越大，同震阶变数量越多，震荡时间越长，数据内在精度会越差（图 7）。如宽频带倾斜仪受同震干扰影响有 2021 年7 月和 8 月的数据内在精度与其他月份及同期的水管倾斜仪和伸缩仪相比均表现为能力明显降低（图 4）。4结语通过统计 2016 年 1 月2021 年 12 月五指山台6828VP-NSVP-EW48052782123456789101112形变量（NS）/103月份46542010634123456789101112形变量（EW）/103月份图3五指山台宽频带倾斜仪 2021 年 112 月整点值时序图Fig.3TimesequencediagramofbroadbandtiltmeteratWuzhishanstationfromJanuarytoDecember2021月份00.020.040.06内在精度内在精度VP-NS（a）（b）00.0050.0100.0150.0200.025VP-EW123574689101112123574689101112月份图4五指山台宽频带倾斜仪 2021 年 112 月内在精度Fig.4InternalaccuracyofbroadbandtiltmeteratWuzhishanstationfromJanuarytoDecember2021第6期郭昱琴等：五指山形变台定点形变观测资料内在精度分析281定点形变观测内在精度变化情况，得出以下结论：（1）水管倾斜仪和铟瓦棒伸缩仪两个分量内在精度较好，基本满足优秀评价指标 0.02；宽频带倾斜仪两个分量内在精度年均达到优秀指标的概率仅 50%（图 2c）；自 2020 年 1 月内在精度持续下降，超量程故障频繁，观测资料质量不高，亟待需要对仪器进行全方面检修或更新改造。（2）地倾斜仪与地应变观测仪观测数据均为EW 分量内在精度优于 NS 分量，分析其原因可能是安装仪器正交方位或夹角参数不准确导致不一致所致。同时，可能原因是山洞仪器长期运行老化性能变差，或山洞地质构造环境特殊，这方面尚未做进一步探讨。（3）仪器稳定性、人为因素和同震干扰等因素都会影响数据质量，导致数据内在精度降低。因此，提高台站仪器运行率，保证记录数据连续完整性，是提高数据内在精度的一个重要技术环节。当然，客观干扰因素无法避免，如每年沿海台风、雷暴雨、地震或近场爆破等。另外，尽快提升台站人员熟悉仪器原理、性能业务水平和仪器故障排查技术能力势在必行，配置必要的备机备件也应当考虑。所以亟待解决的问题是台站人才培养、业务培训和备机备件。主机公共供电模块故障9343DSQ-NSDSQ-EW形变量（NS）/1039393944315913 17 21 25 293711 15 19 23 27 312020-042020-052020-042020-05主机公共供电模块故障日期187.6形变量（EW）/103141.595.415913 17 21 25 293711 15 19 23 27 31日期图5五指山台水管倾斜仪 2020 年 5 月主机公共供电模块故障Fig.5FailureofcommonpowersupplymoduleformainengineofwaterpipetiltmeteratWuzhishanstationDSQ-NS00.010.020.03DSQ-EW00.010.020.03内在精度内在精度（a）（b）月份12345678910 11 1212345678910 11 12月份图6五指山台水管倾斜仪 2020 年 112 月内在精度Fig.6InternalaccuracyofwaterpipetiltmeteratWuzhishanstationfromJanuarytoDecember2020282地震科学进展2023年参考文献刘晓霞，江在森，武艳强.唐山、汶川地震地壳形变特征综合研究 J.地球物理学进展，2018，33(3)：941-950LiuXX，JiangZS，WuYQ.CharacteristicofcrustaldeformationrelatedtoTangshanandWenchuanearthquakesJ.ProgressinGeophysics，2018，33(3)：941-950110847DSQ-NSDSQ-EWSSY-NSVP-NSVP-EWSSY-EW形变量/10310963110792930阿拉斯加 8.1 级地震阿拉斯加 7.0 级地震印尼 5.9 级地震南桑威奇群岛 7.6 级地震棉兰老岛 6.9 级地震2021-07 2021-08日期2021-07 2021-08日期2021-07 2021-08日期2021-07 2021-08日期2021-07 2021-08日期2021-07 2021-08日期31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920788.4形变量/103747.0705.62930阿拉斯加 8.1 级地震南桑威奇群岛 7.6 级地震31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192064816形变量/1036427063724293031 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192012461形变量/10312028115952930阿拉斯加 8.1 级地震南桑威奇群岛 7.6 级地震阿拉斯加 8.1 级地震南桑威奇群岛 7.6 级地震31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819204553形变量/103435641592930阿拉斯加 8.1 级地震阿拉斯加 7.0 级地震印尼 5.9 级地震南桑威奇群岛 7.6 级地震棉兰老岛 6.9 级地震31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202454形变量/103219319322930阿拉斯加 8.1 级地震阿拉斯加 7.0 级地震印尼 5.9 级地震南桑威奇群岛 7.6 级地震棉兰老岛 6.9 级地震31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920图7五指山台 3 套仪器同期受同震响应干扰曲线（分钟值）Fig.7InterferencecurvesofcoseismicresponseofthreesetsofinstrumentsatWuzhishanstationatthesametime第6期郭昱琴等：五指山形变台定点形变观测资料内在精度分析283张英杰，江永建，李晓鹏，等.河北涉县台伸缩仪稳定性及资料与映震分析 J.地震工程学报，2018，40(增刊1)：112-116ZhangYJ，JiangYJ，LiXP，etal.StabilityandreflectingearthquakeanalysisoftheextensometeratShexianSeismicStationJ.ChinaEarthquakeEngineeringJournal，2018，40(S1)：112-1162史小平，闫万龙，龙艳.白银形变观测站DSQ型水管倾斜仪观测资料分析 J.地震地磁观测与研究，2014，35(3/4)：178-181ShiXP，YanWL，LongY.PreliminaryanalysisonobservationaldataofDSQtypewatertubetiltedinstrumentatBaiyinSeismicStationJ.SeismologicalandGeomagneticObservationandResearch，2014，35(3/4)：178-1813杨晓东，张晨蕾，吴明，等.陕西省 VP 型垂直摆倾斜仪观测对比分析 J.地震科学进展，2021，51(8)：371-375YangXD，ZhangCL，WuM，etal.ComparativeanalysisofVPtypeverticalpendulumtiltmeterinShaanxiProvinceJ.ProgressinEarthquakeSciences，2021，51(8)：371-3754苏维刚，冯丽丽，马茹莹，等.水平摆与垂直摆倾斜仪观测资料干扰特征对比 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